自動控制系統(tǒng)概述課件

測控技術(shù)華東理工大學信息學院自動化系學習這門課的必要性：1、自動控制系統(tǒng)應(yīng)用非常普遍用在國民生活的各個方面，化工領(lǐng)域的應(yīng)用更加普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過程、制漿、造紙過程、制藥等等。2、自動化技術(shù)人員應(yīng)該掌握充分的專業(yè)知識3、工藝人員應(yīng)該掌握一定的控制系統(tǒng)的知識

才能設(shè)計合理的工藝，充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性，便于使用與維護。使用常規(guī)儀表的中央控制室早期的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)在的DCS控制系統(tǒng)1自動控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容：1.1自動化及儀表發(fā)展概述1.2自動控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標1.1自動化及儀表發(fā)展概述控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀40年代～20世紀50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進行分析與設(shè)計PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一現(xiàn)代控制理論:20世紀60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為：（基礎(chǔ)）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計理論，系統(tǒng)辨識等。特點：從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系全面地分析與研究系統(tǒng)。適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線形時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出的情況。大系統(tǒng)理論:20世紀70年代開始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合智能控制理論:不需要建立被控對象的數(shù)學模型核心思想：

系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍：

高維線性系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展基地式：20世紀50年代，適用于單回路（就地式液位控制器及自力式溫度控制器）單元組合式（按功能劃分，然后組合）：有DDZ,QDZ，20世紀60年代，儀表之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)系計算機：DDC,20世紀70年代DCS（集散控制系統(tǒng)）先進控制和優(yōu)化控制：CIPS、FCS，20世紀80年代以后自動化儀表的發(fā)展模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.2自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制系統(tǒng)

自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主要是：根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)一定規(guī)格（壓力、溫度）的蒸汽，同時使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有：（1）鍋爐汽包水位的控制（3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制（2）鍋爐燃燒的控制自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)汽包水位是鍋爐運行的主要指標，維持水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐安全運行的首要條件。蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖水位過高：影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，會使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導致?lián)p壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，作為汽輪機動力的話會損壞葉片，影響運行的安全及經(jīng)濟性。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖水位過低：汽包內(nèi)水較少，負荷很大時，水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量急速減少，如不能及時得到控制，則會燒干，燒壞水冷壁，甚至爆炸。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)手動控制的步驟：蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖(2)把觀察到的實際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。(1)觀察液位數(shù)值；自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包液位自動控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包液位自動控制系統(tǒng)LT：LevelTransmitterLC：LevelController自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)TT：TemperatureTransmitterTC：Temperature

Controller自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)FT：FlowTransmitterFC：Flow

ControllerPT：PressureTransmitterPC：Pressure

Controller自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機器。被控過程：鍋爐汽包被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)被控變量：

汽包液位自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素操縱變量：水的流量蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖擾動：進水壓力、蒸汽流量自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變量實際值與設(shè)定值之差負反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)加熱爐溫度控制系統(tǒng)被控過程：被控變量：操縱變量：擾動：加熱爐物料出口溫度燃料油流量被加熱原料油溫度、燃料油熱值等自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)閉環(huán)控制：

在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進行比較，根據(jù)偏差進行控制，控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制

自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至會使系統(tǒng)失去控制。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)開環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：不需要對被控變量進行測量，只根據(jù)輸入信號進行控制，控制很及時。開環(huán)控制：根據(jù)擾動信號的變化來進行控制。

1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水開環(huán)的液位控制系統(tǒng)又稱前饋控制。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到其他擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。

1Ff

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蒸汽汽包省煤器給水開環(huán)控制的缺點：自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)開環(huán)控制與閉環(huán)控制實例比較1Ff

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蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖閉環(huán)控制開環(huán)控制自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖

在研究自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，也可采用方框圖（方塊圖）。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)控制裝置的作用是根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)通常將過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成幾個重要概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等既是實際的物理量，又作為信息來轉(zhuǎn)換和作用。圖中的每一部分稱為一個環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)從整個系統(tǒng)來看，輸入信號：

設(shè)定值和擾動輸出信號：

被控變量、測量值閉環(huán)控制系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)（2）閉環(huán)：按信息的流向來說（3）動態(tài)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.2.4自動控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.2.4自動控制系統(tǒng)的分類隨動控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)例題：下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要求畫出以熱物料的出口溫度為被控變量，蒸汽流量為操縱變量的控制系統(tǒng)帶檢測控制點的工藝流程圖，指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、過程以及主要擾動，畫出控制方案的方塊圖。蒸汽加熱器自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)解：蒸汽加熱器控制系統(tǒng)帶檢測控制點的工藝流程圖如下：自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)蒸汽加熱器控制系統(tǒng)的方塊圖如下：自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖1.3.1靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態(tài)。此時輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)動態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入變化開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖環(huán)節(jié)的動態(tài)特性自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)(靜態(tài))過渡到另一個平衡狀態(tài)（靜態(tài)）的過程。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng),對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng),要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。

自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式(階躍擾動)

發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減穩(wěn)定的過渡過程最常用自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)單項控制指標（僅適用于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標綜合控制指標自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)最大動態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。

對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個振蕩波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A

（1）最大動態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（）穩(wěn)態(tài)特性CtyBB’A0y(∞)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)

最大偏差表示系統(tǒng)的被控變量瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)

同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，偏差有可能是疊加的，即當?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，所以在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個指標來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。一般超調(diào)量以百分數(shù)給出。ytBB’C0自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比n穩(wěn)態(tài)特性CtyBB’A0y(∞)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。CtyBB’A0n=1:等幅振蕩。n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)根據(jù)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)（3）余差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標，一般希望其為零，或不超過預定的范圍。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。穩(wěn)態(tài)特性CtyBB’A0y(∞)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)（4）回復時間（過渡時間）回復時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。穩(wěn)態(tài)特性CtyBB’A0y(∞)定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)自動控制系統(tǒng)概述(ppt64頁)實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間長or短？ytBB’2%